ИСТИНА

Низкотемпературная плазма широко используется в ключевых процессах микроэлектроники, таких как травление, осаждение, поверхностная модификация. С уменьшением размеров элементом <10 нм требование к уменьшению дефектов при плазменном воздействии возрастает вплоть до атомного уровня. Актуальность проблемы, поставленной в данном проекте, обусловлена высоким интересом поиска путей прецизионного взаимодействия плазмы с двумя новейшими материалами электроники - пористыми диэлектрическими материалами с низкой константой диэлектрической проницаемости (low-k материалы) и с квази-2D (Q2D) материалами (такими, как MoS2, WS2). Энергичные ионы, ВУФ (УФ) излучение и радикалы, присутствующие в плазме, могут повреждать эти новые материалы, а, следовательно, и электрические свойства наномасштабных устройств. Low-k материалы – это материалы, в которых оксид кремния SiOx составляет основу нанопористой матрицы, а углеводородные группы (в основном, метильные группы (-CH3)), покрывают поверхность пор, обеспечивая гиброфобность (SiOCH материалы). Использование таких материалов в качестве межслойных диэлектриков позволяет решить проблему повышения быстродействия микросхем, снизить диссипацию энергии и повысить скорость распространения сигнала, что необходимо при переходе к уменьшению размеров элементов микросхемы. Основным механизмом повреждения low-k материалов является удаление или модификация CH3 групп, приводящие к резкому увеличению диэлектрической проницаемости. Несмотря на значительные успехи, достигнутые мировым научным сообществом, в том числе и авторами данного проекта, в исследовании фундаментальных механизмов повреждения low-k материалов, вопрос бездефектного травления low-k материалов во фторуглеводородной плазме все еще остается открытым. Q2D материалы на основе дихалькогенидов переходных металлов (такие, как MoS2 и WS2) рассматриваются как перспективная замена кремния в гетероструктурах. При создании наноразмерных элементов электроники нового поколения на основе Q2D материалов ключевыми моментами являются контролируемое изменение различных свойств таких ультратонких материалов и методы его достижения с использованием потоков активных частиц плазмы (распыление, создание вакансий, адсорбция различных частиц, дефекты, и, как результат, существенное изменение электрических свойств таких материалов). Для этого необходима разработка технологии атомно-слоевого травления (atomic layer etching, ALE). При исследовании воздействия плазмы и радикалов с low-k и 2D материалами, в данном проекте будет использован большой опыт экспериментально-теоретической работы авторов проекта, сочетающий современные экспериментальные и теоретические методы исследования плазмы и наноразмерных материалов со сложными квантовомеханическими методами расчетов взаимодействия различных активных частиц с поверхностью, что представляет собой пример междисциплинарных исследований на стыке различных наук и методов исследований. В данном проекте предполагается исследование возможности бездефектного травления low-k материалов в двухстадийном циклическом процессе фторирования поверхности low-k материала, осаждения фторуглеродной пленки на его поверхности и ион-стимулированного травления в плазме аргона с точностью на нанометровом уровне. Будет проведено исследование зависимости скорости травления и деградации low-k пленок в зависимости от параметров циклического процесса: мощности разряда, длительности циклов, давления, амплитуды смещения и температуры пленки. Экспериментально и теоретически (3-D Монте-Карло модель и квантово-механические DFT (density functional theory)) будут исследованы механизмы осаждения и травления CHxFy полимерных пленок на SiCOH диэлектрике в циклическом процессе в Ar/CHF3 смеси и влияние толщины пленки на повреждение low-k диэлектриков. Будут установлены механизмы модификации (запечатывания) верхнего слоя пор ионами благородных газов по результатам моделирования методом молекулярной динамики. Предполагается выявление механизмов модификации (создание дефектов, например, серных вакансий, адсорбции частиц) в монослое Q2D материалов. Также будет рассмотрено взаимодействие различных активных частиц (атомов F, H, ионов аргона) с этими дефектами с целью разработки подходов для реализации ALE таких материалов, а также методов модификации поверхности, которая может приводить к изменению их электронных и электрических свойств. Экспериментальными и теоретическими методами будут определены скорости распыления, пороговые энергии распыления и образования дефектов в MoS2 пленке под действием ионов аргона. С помощью статического DFT‑моделирования будут получены барьеры адсорбции атомов H на MoS2, миграции и рекомбинации атомов Н на MoS2 (без и с серными вакансиями), получены результаты влияния адсорбции атомов H на электронные свойства монослоев MoS2. С помощью динамического DFT‑моделирования будут выявлены основные механизмы взаимодействия атомов H с монослоями MoS2. Также будут оценены эффекты температуры материала на гибель H атомов и скорость образования серных вакансий. Предлагаемый в проекте комплексный экспериментально-теоретический подход исследования взаимодействия ВЧ плазмы на нанометровом и атомарном уровне с новыми материалами электроники, включая 2D материалы, будет осуществлен впервые.

Low-temperature plasma is widely used in the key microelectronics processes such as etching, deposition, surface modification. As device dimensions continue to shrink in semiconductor manufacturing for the sub-10 nm node, damage during plasma interaction is required to be reduced down to the atomic level. The project problem relevance is due to the high interest for searching for the receipts of precise plasma influence on the newest materials – porous low-k dielectric low-k and quasi-2D materials (such as MoS2, WS2). However, energetic ions, VUV (UV) emission and radicals from plasma may damage these materials and the electrical properties of nanoscale devices, consequently. Nanoporous low-k films, applied in modern technology are mainly SiOCH materials, in which silicon oxide is a nanoporous matrix, and pores are covered with the hydrocarbon groups (methyl groups (-CH3) mostly) which provide films hydrophobicity. Using these materials as the interlayer dielectrics allows solving the problem of the microchip operating speed increase, energy dissipation reduction and signal propagation speed increase, which is necessary to proceed to the smaller microchip element dimensions. One of the main low-k material damage mechanisms is removal or modification of CH3 groups resulted in sharp increase of dielectric constant k. Nowadays, world scientific community, including the authors of the current project, made significant progress in the research of the fundamental mechanisms of low-k materials damage. However, the problem of the damage-free etching of low-k dielectrics in fluorohydrocarbon plasma is not completely resolved. Q2D materials based on transition metal dichalcogenides (TMDs) such as MoS2 and WS2 are now treated as perspective materials for replacement of Si in heterostructures. The key moments in the new generation electronics nanoscale element production on the base of Q2D materials are controllable changing of these ultra-thin material different properties and methods of achieving it using active plasma species fluxes (vacancies production, adsorption of atoms and molecules, sputtering). For this, the development of the atomic layer etching (ALE) technology is needed. In the current project a solid experience in experimental and theoretical work of project authors will be used for investigation of low-k and 2D materials interactions with plasma. A combination of state of art experimental methods and complex quantum mechanical calculations of different active particles with nano-scale materials is an example of interdisciplinary investigations at the interface of different science disciplines and investigation methods. In this project, it is proposed to perform a possible defect-free etching of low-k films in two-stage cyclic process of the low k sub-surface fluorination, deposition of a fluorocarbon film on low-k material and ion-stimulated etching (with nanometer scale control) in argon plasma. The study of etching and degradation rates of low-k films in dependence of the cyclic process parameters (rf discharge power, gas pressure, cycles duration, bias amplitude and films temperature) will be carried out. Mechanisms for CHxFy polymer film deposition and etching on SiOCH dielectric in a cyclic process in Ar/CHF3 plasma mixture at room and low film temperatures as well as film thickness effect on the low-k dielectric damage degree will be studied (experiment, 3D Monte-Carlo model and quantum mechanical DFT calculations of elementary reactions). Possible mechanisms of the sub-surface layer modification (sealing) by noble gases ions will be established using molecular dynamics (MD) calculations. It is proposed in the project that mechanisms and the ways of modifications formation (defects, i.e. S vacancies, adsorbed particles) in monolayer of Q2D materials will be determined. Also different active particles (radicals F, H, ions) interaction with these defects for realization of ALE of these materials and their surface modification that can lead to electronical and electrical properties modification will be considered. The sputtering rates, the threshold sputtering energies and the formation of defects in the MoS2 film under the action of argon ions will be determined by experimental and theoretical methods. By using static DFT calculations energy barriers of H atoms adsorption at MoS2 surface, their migration and recombination (with and without S-vacancies) will be calculated as well as H atoms adsorption effect on electronical properties of MoS2 monolayers. By using dynamic DFT calculations the main mechanisms of H atoms interactions with MoS2 monolayers will be revealed. Also, an impact of the material temperature on H atoms loss and sulfur vacancies formation will be estimated. The proposed in the project complex experimental and theoretical approach to study rf plasma interactions with advanced microelectronics materials, including 2D materials, on the atomic scale will be done for the first time.